矿物岩石学报硅酸盐细菌代谢产物对硅酸盐矿物的风化作用

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1、硅酸盐细菌代谢产物影响硅酸盐矿物风化作用的模拟试验肖国光1,2）孙德四1,2）曹飞1，2）(1.九江学院化学与环境工程学院，九江332005；2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100008)摘要：实验选用一株硅酸盐细菌，研究了实验条件下该菌株所产生的代谢产物对斜长石的分解与脱硅、铝的作用。通过检测不同风化培养基中代谢产物的种类与浓度、代谢产物与矿物相互作用过程中释放矿物中硅、铝的含量以及矿物晶体结构的变化，研究该菌株代谢产物对斜长石的风化过程和作用机制。结果表明：该菌株在不同的培养基中均会分泌氨基酸、有机酸与多糖等代谢产物，其中，在矿物风化培

2、养基中菌株的代谢能力明显要高于无矿物培养基；各种代谢产物均对斜长石有一定的风化作用，多糖对矿物的分解作用最为明显，各代谢产物的混合物对斜长石的分解能力要高于各自代谢产物对矿物的分解能力。分析认为三种代谢产物的混合物在风化矿物的过程中具有一定的协同作用。关键词:硅酸盐细菌；代谢产物；硅酸盐矿物；斜长石；风化作用中图分类号：Q939.1，TD952.5文献标示码：A微生物对铝硅酸盐矿物的风化机理研究表明，微生物主要是通过有机酸、生物膜、胞外聚合物和氧化还原作用的方式风化铝硅酸盐矿物[1]。它们同时存在于微生物参与的矿物风化作用过程中，互相影响，协同作用

3、[2]。根据现有文献报道，硅酸盐细菌[3]（B.circulans，B.mucilaginosus与B.edaphicun）或其它菌种如Pilodermasp.[4]、Aspergillusfumigatus[5]、Aspergillusniger[6]、Penicilliumsp.[7]、Mucorsp.[8]、Trichodermasp.[9]、Botrytissp.[10]等菌种均对硅酸盐矿物具有一定的风化作用，利用这些菌种可以将矿物中不溶性的硅、钾、铁等元素转变为可溶性元素。这一类菌种在与矿物的作用过程中可以产生一定量的氨基酸、有机酸与多糖

4、，并在细菌繁殖过程中通过分解自身产生的多糖、有机酸而衍生出无机酸[11]。而质子交换和配体络合是微生物分解硅酸盐的主要方式，前者指微生物代谢产生的有／无机酸中的质子通过交代硅酸盐矿物中的正价态元素的方式促进的分解，后者指微生物及其代谢物通过络合作用促进的矿物分解[12]。也有研究表明，硅酸盐细菌对硅酸盐矿物的分解过程中酸溶作用的效果很小，原因是该类菌种很少产生酸或产酸量非常小，矿物的降解作用主要依赖于菌种在代谢过程中产生的胞外多糖等聚合物。胞外聚合物具有络合功能，可与矿物颗粒相互作用并形成细菌-矿物复合体，提高硅酸盐矿物的溶蚀能力[13]。另外，微

5、生物-矿物相互作用还可区分为直接作用和间接作用两种方式：直接作用指微生物与硅酸盐矿物直接接触时，在细胞-矿物界面形成特殊的微环境（如特殊的pH值、配合物浓度等），影响矿物的风化[14]；间接作用是指微生物不与矿物接触时对矿物风化的影响[15]。目前制约铝硅酸盐矿物微生物脱硅的工业化应用的主要原因是难以筛选出性能稳定的硅酸盐细菌，并且该类菌种与矿物相互作用机理不明[16]。根据对现有文献的查阅，很少有关硅酸盐细菌对铝硅酸盐矿物的风化作用的研究报道，虽然有一些学者从理论和宏观角度对硅酸盐矿物微生物风化作用进行过探讨[8-11]，但有关风化作用的细微过程

6、和机理仍处于探索阶段，特别是有关细菌的单一与混合代谢产物对硅酸盐矿物的风化分解作用的研究报道很少。本文选用一株硅酸盐细菌，试验研究菌株在不同硅酸盐矿物培养环境中产生代谢产物的种类与含量，并利用这些代谢产物对斜长石进行风化分解，试图从细菌代谢产物对斜长石中硅、铝的溶出效果、代谢产物作用对矿物表面形貌及结构变化的影响来探讨硅酸盐细菌代谢产物对斜长石的风化作用过程及机制。1材料与方法1.1材料供试菌株为硅酸盐细菌。该菌株购自于北京北纳创联生物技术研究院，编号为CGMCC1.0153。在硅酸盐盐细菌平板培养基上的菌落特征（28℃，培养3天）为：菌体呈杆状，

7、两端钝圆，形成无色透明隆起菌落，菌落表面光滑，菌落粘稠，富有弹性，挑起时能拉成很长的丝。革兰氏阴性。供试矿物：斜长石、石英与高岭土，均购买于中国地质博物馆。通过XRD分析，纯度均在98%以上。培养基：1#培养基为硅酸盐细菌专性培养基[2]，主要组成为：蔗糖5.0g，Na2HPO42.0g，MgSO4·7H2O0.5g，NaCl0.1g，CaCO30.1g，pH7.2，去离子水1000mL；2#、3#、4#培养基为分别在1#培养基中加入-75μm的斜长石、石英与高岭土矿粉各1g构成。1.2实验方法不同培养基对细菌代谢的影响试验：选取100ml锥型瓶分

8、别装50mL培养基1#、2#、3#、4#，120℃灭菌2小时，冷却后，将硅酸盐细菌种子液（种子液制备参照文献[1]进行）按